畢業(yè)設計（論文）-某20t多功能挖掘機工作裝置設計

畢業(yè)設計（論文）任務書1.畢業(yè)設計(論文)題目：某20t多功能挖掘機工作裝置設計2.題目背景和意義：本題目來自工程實踐，具有很高的實用價值，涉及液壓方面的知識，學生通過本畢業(yè)設計，能夠?qū)⒋髮W中學到的機械、液壓方面的知識很好的用到實際工程中，培養(yǎng)學生進行實際工程設計的能力。3.設計(論文)的主要內(nèi)容(理工科含技術指標)：本題目的主要內(nèi)容為多功能挖掘機的工作裝置設計，包括工作裝置的結(jié)構(gòu)設計、驅(qū)動液壓缸設計等。要求具有較強的三維和二維繪圖能力，已知挖掘機最大挖掘重量為20t，液壓系統(tǒng)工作壓力20Mpa。4.設計的基本要求及進度安排(含起始時間、設計地點)：開題報告完成時間2018年12月25日前（完成內(nèi)容：論文綜述，方案確定，外文翻譯，畢業(yè)設計工作管理手冊及撰寫規(guī)范），中期報告完成時間2019年4月5日前（完成內(nèi)容：論文或設計內(nèi)容完成的基礎工作報告），論文答辯時間2019年5月25日前（完成內(nèi)容：按要求完成所有應完成的工作），設計地點：學校。5.畢業(yè)設計(論文)的工作量要求：所寫論文除滿足學院論文的基本規(guī)定外，還需要達到以下要求：1、根據(jù)提技術要求設計工作裝置總圖1張2、根據(jù)總圖繪出裝置的零件圖1套3、驅(qū)動液壓缸選型設計1套4、畢業(yè)設計說明書1份（2萬字以上）5、繪圖量為3張（折合成A0號圖紙計算）以上①實驗（時數(shù)）或?qū)嵙暎ㄌ鞌?shù)）：②圖紙（幅面和張數(shù)）：繪圖量為3張（折合成A0號圖紙計算）以上③其他要求：按照學校畢業(yè)設計進度和質(zhì)量完成該畢業(yè)設計、完成三維建模并能作出爆炸圖和運行原理動態(tài)圖，最終形成二維工程圖。指導教師簽名：年月日學生簽名：年月日系主任審批：年月日（4.24）（4.25）根據(jù)4.23、4.24及上面的式(4.25)。假定CF線在平行線的一側(cè)則用的值需要加上負號。圖4.4動臂提升機構(gòu)計算示意圖設起始力臂和終了力臂的比值為K，則（4.26）或（4.27）展開并整理后得到（4.28）可作如下分析：（1）表示在K、K和SUM之間存在一個常數(shù)依賴系統(tǒng)。如果其他數(shù)字不改變，則值越低，K值越低，從而有利于上部。如果K不改變，則減小值會增加和減少，這有利于挖掘高。所有這些值應小于反鏟的值。但是，如果工作標準已經(jīng)很高，那么較低的價格將對較低的挖掘不利，而且在較低的挖掘時也不能提及。另外，對于保持，K，需降低值和增加值，增加氣缸行程，同時也影響氣缸的穩(wěn)定性。因此，在確定該值時，通常需要考慮預定值或反向鏟的值[17]。西安工業(yè)大學北方信息工程學院（2）如果是k值不變，那么他們也就確定了位置。鏟車通常需要負值，因為它們需要提高地下鉆井性能。因此，我們需要將動臂弧度設計小一些，這樣可以提升整個構(gòu)件的剛性。另一方面，動臂不是像反鏟那樣彎曲度大的曲臂，而拐角主要是滾筒的活動鉸鏈，不需要過度切割動臂的橫截面，我切割了一臺切片機。有時兩臂（兩側(cè)）被切割得太深，所以角在右側(cè)，但角不太大，所以陰影也不大。如果將這兩個點結(jié)合起來，則應在初始階段設置移動臂結(jié)構(gòu)，設定初始參數(shù)，依照給出的參數(shù)確定基于標準的官方值。我推薦。在正常情況下，該值不會掙扎。（3）參數(shù)的值會改變整個液壓缸的穩(wěn)固，a=1.6至1.7。（4）大提速的K值在0.90～1.14選擇，因為地面以上的土壤主要是開挖的，手臂無法完成。在設計中，有效的A、B、C三點的定位是著力考慮的。以下關系可以通過求和得到（圖4.4）。（4.29）（4.30）代入得令，代人上式，解聯(lián)立方程后得到如上所述，由于比例系數(shù)和值是根據(jù)臂旋轉(zhuǎn)角度和k值的必要性確定的，因此只有獲得其中一個參數(shù)，才能進一步計算其他參數(shù)?；顒颖鄣囊簤焊资菍⒍窂目膳_升到最高。在這個過程中，液壓缸工作臂也接近最大值。另一方面，考慮到與其他氣缸的通用性，除了系列選擇外，氣缸直徑的選擇空間大。擴孔器距離ac可以在氣缸數(shù)和氣缸直徑預先確定的前提下選擇（4.31）式中M——工作力矩，圖4.4，即整個機構(gòu)在這點的力矩和，其中包括動臂重、斗桿量、斗和物料的重量、連桿重以和液壓量、等。這些參數(shù)根據(jù)理論推算的方法確定。s——液壓缸工作輸出力矩，s＝，其中、分別為液壓缸數(shù)量和其直徑；p是液壓系統(tǒng)中油壓大小；——機構(gòu)工作效率，在這里選擇為=0.85。通過將等式（4.29）和（4.30）的結(jié)果代入人類等式（4.31），可以獲得剩余的參數(shù)值Δθ。還有一些特殊狀態(tài)使我們要考慮在內(nèi)的：1）液壓缸在在整個運行過程中的穩(wěn)定性;2）在操作時液壓機構(gòu)具有有的鎖死能力（通過計算機模擬分析）[18]。4.6.2斗桿液壓缸行程的確定在確定連桿在斗桿上的固定位置，并卻對液壓缸的選型設計。如圖4.5所示，假設完全縮回和完全伸展時棍棒的長度為和，則F的相應力臂是和。比例因子圖4.5確定提升機構(gòu)的示意圖圖4.6斗桿機構(gòu)計算示意圖；；（4.32）則初始與終了力臂比K為K=(4.33)或最后得到(4.34)方程之和是DF和FC之間的角度以及EF和FQ之間的角度。假定CF或FQ處于整個機構(gòu)的一邊，則可以知道他們存在夾角。因此，在整個規(guī)劃中，活動臂和臂的構(gòu)造我們可以得到正確的連接模式，然后按照公式計算出其他數(shù)據(jù)，也可以為每個機構(gòu)分開計算然后將他們合并起來值。在設計斗桿機構(gòu)時，最后選擇的是為0.9比1，在這時我們的到的值和實際是相同的[19]。實際上很多用1.5至1.7。類似地，通過并且可以列出聯(lián)立方程（4.35）（4.36）令，，并將代人上式，解聯(lián)立方程后得到還有是按照實際做工的理論方式來設計液壓缸選型的辦法。設斗桿油缸挖掘時需要克服的切向挖掘阻力為，那么（4.37）式中b——切削寬度(厘米)；h——為平均下挖距離(厘米)；——挖掘比阻力，查閱資料，取各個地方的平均數(shù)值。假設鏟斗在行程L(厘米)中裝滿，那么在裝斗過程中消耗到挖掘土壤上的功為（（4.38）式中q——斗容量()；、——鏟斗在裝滿后的數(shù)值。顯然這個功由斗桿油缸來完成，而在此期間斗桿油缸所作的功為（4.39）式中S——斗桿液壓缸壓力，，其中，是斗桿液壓缸個數(shù)和直徑，是系統(tǒng)工作壓力；——液壓缸的傳功效率，在這里選擇的是取=0.85；——液壓缸工作行程。在這里鏟斗需要斗桿液壓缸60％的行程內(nèi)完成動作，則=其中是斗桿液壓缸運作行程。因此從作功出發(fā)可列出平衡方程式=（4.40）=確定斗桿油缸行程之后，不難求出其全縮和全伸時的長度，即（4.40）（4.41）使用式(4.39)、(4.40)和（4.41）所得，代入就可以計算到出的值。在液壓缸及斗桿機構(gòu)各項數(shù)據(jù)需按照液壓缸所達到的最大力矩進行效驗，環(huán)要保證鏟斗液壓缸具有的力矩大于其在實際工作時存在的阻力。4.7鏟斗液壓缸交點和行程的確定由于需要在設計中確保該機構(gòu)具有一定的自鎖性能。然而，由于其不是專用設計，因此在設計中換要考慮其他因素：（1）在開挖土層的工作時，鏟斗機構(gòu)應確保鏟斗在鏟斗行程的70-100％范圍內(nèi)充滿土壤;（2）在含有石子的土層運作時，鏟斗機構(gòu)應確保液壓油缸在運行中在特定時候具有自鎖效能;（3）按照大多數(shù)工作機構(gòu)的設計要求，使得挖斗的液壓缸在打開時對齒的作用力大于其重量的兩倍。按照上面的設計要求，可以使用挖掘做工的原理來選擇液壓缸的型號。（4.42）式中——挖斗液壓缸工作行程與實際行程的比值，多數(shù)～1；——實際工作遇到的阻力，應當其滿足大多數(shù)環(huán)境下的值；——鏟斗油缸數(shù)量及缸徑；——液壓缸在其連接位置處的實際工作效率。多數(shù)=0.8～0.85。仍取油僅全伸和全縮時長度之比為～1.7），則鏟斗油缸長度為（4.43）（4.44）液壓缸的安裝、連桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點及固定處在在規(guī)劃時可參照市場上的多數(shù)機器進行設計，再按照設計的機構(gòu)的特點及其與FQ的來逐漸優(yōu)化使其達到可以在實際中使用的性能，滿足設計的需求[20]。5工作裝置受力分析和強度計算5工作裝置受力分析和強度計算5.1鏟斗和鏟斗連桿機構(gòu)（1）連桿鏟斗液壓缸是處于沒有頂出時，連桿與鏟斗形成的角較小，此時鏟斗收到的截切力最大。如圖5.1：圖5.1鏟斗油缸全縮狀態(tài)鏟斗液壓缸的最大力為53.37噸。依照機械原理中四連桿的的特點可以計算出求得在這是受到為55.60噸。連桿受力為拉壓，對其進行校正。工作系數(shù)n取3，在查閱相似資料得出16Mn的強度大小為［σs］=350MPa，所以為許用應力：（5.1）式中，S——連桿截面面積（米2）滿足要求。（2）搖桿在挖斗液壓缸打開后，連桿和鏟斗之間的角度較小，此時受到的力最大。如圖5.2所示：圖5.2鏟斗油缸全伸鏟斗油缸最大工作力為53.37噸。求得連桿受到的力為55.60噸。連桿受到拉壓力，而在不考慮彎曲的情況下，按照正應力進行校正。工作系數(shù)n取3，查閱相關系列得出16Mn的受力最大［σs］=350MPa，計算需用應力為：（5.2）式中，S——搖桿截面面積（米2）滿足要求。（3）銷軸銷軸受到剪切力，。在液壓缸張開后，軸所受橫向作用力Q=32.03噸。工作系數(shù)取n=2，查閱資料知材料45鋼的屈服極限［σs］=294MPa，計算出的許用應力（5.3）式中，S——銷子截面面積（米2）滿足要求。5.2斗桿及斗桿機構(gòu)分析反鏟挖掘機斗桿與所受力矩。選擇像個特殊的點位對該機構(gòu)強度檢查。如果他們滿足則整個機構(gòu)是合格的。如圖5.3所示：（1）當活動臂處于最低點；（2）斗桿油缸作用力臂最大；（3）斗齒尖在的延長線中；（4）側(cè)齒受到橫向作用力。圖5.3動臂位置最低狀態(tài)斗桿油缸閉鎖是Pg’決定了橫向的挖掘力W1’將連桿設置隔離，根據(jù)力矩平衡知：（5.4）其中，，——指的是斗桿和鏟斗的質(zhì)量；l2,ld——桿長和挖斗的大?。祝?；r3——指的是重力到活動臂與斗桿固定位置處的距離；r4——指的是鏟斗重力到動臂與斗桿固定點的距離。鏟斗間隔，根據(jù)力矩平衡可值鏟斗受到的工作力：（5.5）在上式中，r2——指的是鏟斗到鏟斗與斗桿連接點。r5——指的是連桿到鏟斗與斗桿鉸點的距離r6——指的是連桿到斗桿與斗桿連接。r7——搖桿的長度（米）?；騽颖垡簤焊譖B’影響到阻力，可以取整體隔斷，根據(jù)力矩平衡可值：（5.6）在上式中，r0——指的是正向阻力到動臂下連接點的力臂；r1——指的是法向阻力到動臂下連接點的力臂；rB——或動臂液壓缸到動臂固定位置的距離（米）；——指的是工作裝置構(gòu)件在活動臂出的力矩之和。當鏟斗邊齒受到作用力時候，回轉(zhuǎn)平臺的力矩MT決受到的橫向阻力Wk：（5.7）在上式中，r——指的是橫向阻力與交接點的距離。采用圖解法，計算出斗桿的受到的外力，斗桿與鏟斗固定處存在Wk和W2以及Mc:（5.8）式中，b——鏟斗寬（米）。橫向阻力W1作用在齒尖上，是斗桿受到MKP：（5.9）依照上面的解析，作出斗桿的受力圖，其中存在力N，在橫向作用力Qx和縱向壓力Mx，在斗桿形成的面內(nèi)力Qy和力矩My，和轉(zhuǎn)矩T[18]，體現(xiàn)在圖5.4。圖5.4斗桿內(nèi)力圖在受力最大處進行，形成截面如圖5.5：圖5.5斗桿斷面圖可以得出斷面面積為：S=m斷面轉(zhuǎn)動慣量：IZ=IY=斷面處壓應力為：=24.4113MP斗桿平面內(nèi)剪應力為：=34.3500MP斗桿平面內(nèi)彎曲正應力為：=64.8042MP斗桿平面外剪應力為：=4.7497MP斗桿平面外彎曲正應力為：=59.0218MP查閱資料可得為：25.5553MP式中，——截面中心線所圍面積m225.5553MP式中，——截面中心線所圍面積m2——最小壁厚m因為存在額外受力，斗桿工作常數(shù)選擇2，查閱資料得16Mn的受力最大為，所以有：許用應力MPa最大壓應力X方向最大剪應力59.9053MPY方向最大剪應力故，強度滿足要求。b.工況二如圖5.6所示：（1）活動臂在活動臂液壓缸完全伸長處[15]；（2）斗桿油缸作用力臂最大；（3）挖斗尖，動臂和斗桿形成的固定點，斗桿和挖斗形成的連接點共線時；（4）很多時候是阻力對稱鏟斗，沒有其他外力。圖5.6動臂位于最大力臂處斗桿受力分析同工況一。斗桿液壓缸的閉鎖Pg’決定了切向最大橫向力W1,將斗桿設計分開，按照力矩平衡計算：（5.10）在上式中，，——指的是斗桿和鏟斗受到的重力；l2,ld——鏟斗大小和連桿長度（m）；r3——指的是斗桿重力據(jù)動臂與斗桿固定點的距離；r4——指的是鏟斗重力到動臂與斗桿固定處的距離。取鏟斗為間隔，可以得到液壓缸受到的力為：（5.11）在其中，r2——指的是挖斗到鏟斗與斗桿連接處的長度。r5——指的是連桿到鏟斗與斗桿鉸點的距離。r6——指的是連桿到斗桿桿與斗桿連接點的距離。r7——搖桿的長度（米）。動臂油缸的力PB’決取力，將整個裝置看做隔斷，根據(jù)力矩平衡可知：T（5.12）根據(jù)的出中，r0——指的是受到切向壓力到固定處的距離；r1——指的是法向阻力到動臂下連接點的力臂；rB——動臂液壓缸作用力到動臂下連接點的距離；——指的是工作構(gòu)建的各個零件在固定處的力矩和。根據(jù)圖解法可以計算出斗桿所受的作用力。然后可以畫出圖形，包括徑向受力N，斗桿受到的法向Q和重力M，據(jù)圖5.7所示。圖5.7斗桿內(nèi)力圖在其中按受力不同處校正得，如圖5.8所示：圖5.8斗桿斷面圖受力分析同上。斷面處壓應力為：=24.4113MP斗桿平面內(nèi)剪應力為：=34.3500MP斗桿平面受到的正應力：=68.2856MP此時斗桿受到挖斗作用力，斗桿常量選擇為2.5，經(jīng)查閱相關資料可知16Mn的所能承載的為，可得：許用應力MPa最大壓應力最大剪應力故，強度滿足要求。5.3活動臂機構(gòu)分析反鏟的活動臂的受力是根據(jù)工作中動臂中出現(xiàn)的最大力矩來設計計算[9]。工況一如圖5.9所示：（1）工作裝置處于最低位置；（2）正常工作，沒有橫向力。圖5.9工作裝置位于最大挖掘深度處斗桿液壓缸的位置Pg’決影響最大挖掘力W1,單獨考慮斗桿來看，有受力平衡可知：（噸）（5.13）在上式中，，——指的是桿和斗在負載時質(zhì)量；l2,ld——活動臂長度和鏟斗的容積（m）；r3——指的是重力到動臂與斗桿連接處的力臂；r4——指的是斗重力到動臂鏈接點的力臂。動臂液壓缸的力PB’法影響向阻力，以整個機構(gòu)考慮，按照受力平衡關系知：T在上式中，r0——指的是切向受到的阻力到活動臂下的力臂大小；r1——指的是正向阻力到后動臂間的力臂；rB——動臂液壓缸作用力到固定位置處的距離（m）；——指的是各部分對于力臂的扭矩和。在取隔斷處，可以計算的到所有。然后根據(jù)動臂隔開，就可以求得交接點的和。根據(jù)如上分析，作出受力分析圖，作用力N，動臂橫向作用力Q，軸受到力矩M。如圖5.10。圖5.10動臂內(nèi)力圖在構(gòu)件受力最大處驗證，受力如圖5.11：圖5.11動臂斷面圖截面面積為：S=355x10-4m2截面轉(zhuǎn)動慣量：IZ=選擇力臂的有效數(shù)據(jù)為2，根據(jù)查閱資料可知16Mn的受力［σs］=350MPa，經(jīng)過計算為：MPa斷面處壓應力為：MPa剪應力為：MPa彎曲正應力：MPa此處按曲梁進行驗算，則且，，故，強度滿足。b.工況二如圖5.12所示：（1）鏟斗處于最大半徑（2）正常工作沒有橫向作用力。圖5.12工作裝置位于最大挖掘半徑處斗桿液壓缸的鎖合能力Pg決取了受到的最大工作力W1,取斗桿為隔離體[19]，可以得到：T在上式中，，——是斗桿和鏟斗的質(zhì)量；l2,ld——為連桿和挖斗的大?。╩）；r3——指的是斗桿重力到活動臂和斗桿連接點的力臂；r4——指的是鏟斗重力和活動臂和斗桿連接點力臂?；顒颖垡簤焊椎拈]合力PB’決鏟斗受到的阻力，這里工作裝置為隔開，由此可得：T在上式中，r0——指的是切向阻力到或動臂下結(jié)合點的力臂；r1——指的是法向阻力活動臂下連接點的力臂；rB——動臂液壓缸的推力到活動臂固定處的距離（m）；——指的是工作裝置各組件在鉸接點的力矩之和。根據(jù)分析的出，作出受力分析圖，經(jīng)過計算得出，如圖5.13致謝圖5.13動臂內(nèi)力圖在機構(gòu)受力出分析，橫切面如圖5.14所示：圖5.14動臂內(nèi)力圖截面面面積為：S=m2斷面轉(zhuǎn)動慣量：IZ=將或動臂的常數(shù)設置2，通過查閱資料得出16Mn的受力分布［σs］=350MPa，得出為：MPa斷面處壓應力為：MPa剪應力為：MPa彎曲正應力：MPa且，，所以強度合格，因此設計滿足要求。6結(jié)論6結(jié)論本次設計是以實際的液壓挖掘機的工作機構(gòu)為基礎，通過查閱資料等方法，為20t的挖掘機設計一個工作機構(gòu)，在這次設計中主要做了如下工作：（1）在查閱資料的基礎完成工作裝置的整體設計，在計算機上使用三維軟件進行了運動學分析。（2）完成了個零件的尺寸參數(shù)確定，和液壓缸的選型。（3）繪制斗桿和動臂的受力分析圖和彎矩圖，并在危險截面進行強度校核。挖掘機工作機構(gòu)是整個挖掘機的核心件部件之一，其結(jié)構(gòu)不復雜但涉及到受力分析就變得復雜起來，通過這次設計加深了自身對工程設計的認識，也為以后在實際工作打下基礎。參考文獻參考文獻[1]曹善華,余涵.單斗液壓挖掘機.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1980(3):37-38.[2]孔德文,趙克利.液壓挖掘機.北京：化學工業(yè)出版社，2007,34(12):1908-1913.[3]高衡,張全根.液壓挖掘機.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1981,27(11):4-6.[4]閻書文.機械式液壓挖掘機.北京：機械工業(yè)出版社，1982(10):296-297.[5]天津工程機械研究所.單斗液壓挖掘機.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1976(03):34-36.[6]何存興.液壓傳動與氣壓傳動.華中科技大學出版社，2000,54(01):56-59.[7]張鐵.液壓挖掘機結(jié)構(gòu)、原理及使用.東營：石油大學出版社，2002(22):57.[8]黃宗益，王康.液壓挖掘節(jié)能控制.建筑機械，1997(25):70-71.[9]王伯平.互換性與測量計術基礎[M].機械工業(yè)出版社.2000.55～82.[10]唐大放,馮曉寧,楊現(xiàn)卿.機械設計工程學.中國礦業(yè)大學出版社，2001(04):114-120.[11]李壯云.中國機械設計大典.江西科學技術出版社，2001(02):52-58.[12]唐經(jīng)世,高車安.工程機械.北京：中國鐵道出版社，1996(02):52-58.[13]周士昌.液壓系統(tǒng)設計圖集.北京：機械工業(yè)出版社，2003(10):199-201.[14]杜迪生,張永惠.挖掘機電氣傳動與故障診斷.北京：冶金工業(yè)出版社，1994(35):191-192.[15]張玉川.進口液壓挖掘機國產(chǎn)化改造.成都：西南交通大學出版社，1999[16]張鐵主編.液壓挖掘機結(jié)構(gòu)、原理及使用，石油大學出版社，2002，12[17]Nease,A.D.;Alexander,E.F,AirForceconstructionautomation/robotics.InProc.10thInternationalSymposiumonAutomationandRoboticsinConstruction(ISARC);Houston,May1993.[18]R.N.Hancox,HydraulicSystemforExcamator,U.S.Patent3406850.OCT.22,1968Bo?njakS,